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【Tech Tip】Wi-Fi 6所使用的技術、與無線網路測試有哪些突破性的改變?

Wi-Fi 6 引進了許多新的功能,主要目的在於提高無線網路的效率和性能,這是一個好消息,但這些功能的增強,將如何改變我們測試 Wi-Fi 網路的方式呢?當涉及到設計、故障排除和驗證時,將會產生一些變化:


由於 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 正交分頻多重存取) 技術,Wi-Fi 6 網路能夠更好地管理 Access Point 可支援的用戶數量,而不會影響性能;現代的規劃和設計工具需要考慮到這一點,以便在建議特定部署所需的 AP 數量時納入考慮。


Wi-Fi 6 引入了新功能,可以幫助無線網路實現更高的速度,由於較舊版本的 Wi-Fi 不支援新功能,使用舊的 802.11 晶片組的測試人員,需要更新為原生 Wi-Fi 6 收發器,以能夠準確測量無線網路的速度和性能。


未來的 Wi-Fi 6 網路也將能夠使用 6GHz 頻段(通常稱為Wi-Fi 6E),由於目前測試人員使用的 Wi-Fi 收發器僅支援2.4GHz和5.0GHz頻段,因此您將無法看到在 6.0GHz 頻段上運行的任何 Wi-Fi 設備;為了獲得在新頻段上運行設備的可見性,Wi-Fi 測試人員使用的收發器需要更新以支援6GHz頻率,這些變化可能會讓許多人感到擔憂,但沒有必要擔心!NetAlly 已經提供了多個測試工具,可以提供 Wi-Fi 6 的可見性,並繼續努力支援最新的無線網路技術。


為什麼要使用 Wi-Fi 6/6E


OFDMA 是 Wi-Fi 6/6E 中最大的增強功能、如果不是最大,也是不可忽視的增強功能之一。


介紹


是時候升級您的Wi-Fi網路了嗎? 最流行的無線網路技術之一的最新版本,於2021年5月最終獲得認可和發布;雖然 Wi-Fi 6 接入點和客戶端已經存在一段時間,現在 6GHz(6E)企業級 AP 正在廣泛供應;但是,Wi-Fi 6/6E 比 Wi-Fi 5 好很多嗎? 它與舊版Wi-Fi有何不同? 更重要的是,作為網路所有者,是否應該趕快升級? 讓我們一起來探討一下。


WI-FI 6/6E 的新功能


Wi-Fi 6/6E 帶來多項技術的增強,不僅有助於提高吞吐量,還極大地提高了流量管理效率,使其在需要高客戶端容量的環境下表現更佳,例如體育場館、會議中心和智能建築物等地方。



正交分頻多重接入 (OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access)


OFDMA 是 Wi-Fi 6/6E 中引入的最大增強功能,這項技術重點在透過將通道劃分為「資源單元」(更小的子通道),使AP能夠與多個用戶端進行同時通訊,以提高流量管理效率;根據客戶端流量需求,AP 可將整個 20MHz 頻道分配給一個單獨的客戶端,或者可以將頻道分割為多個用戶端同時使用。


為什麼要使用 Wi-Fi 6/6E


這就好像把一條寬敞的單車道公路,轉變成多車道公路一樣;舊版的 Wi-Fi 只允許一個設備在同一個頻道上進行通訊,OFDMA 對於低帶寬應用程序(如IoT傳感器)就非常地理想,因為它允許更多的 Wi-Fi 設備在同一個頻道上進行同時通訊,這可以轉換為更好的性能和更快的速度。

上圖為 OFDMA 將通道劃分為資源單元的一個例子:
上圖為 OFDMA 將通道劃分為資源單元的一個例子:

例如,在一個20MHz的通道上,OFDMA可以彈性地將其劃分為四個較小的資源單元 (3個4MHz、一個 8MHz);當一個設備需要更多的頻寬時,AP 又可以將整個 20MHz 的通道分配給該設備;而當多個設備需要使用通道時,AP 則可以彈性劃分資源單元並同時提供服務,從而更有效地使用通道頻寬。



多用戶多輸入多輸出(MU-MIMO, Multi-User Multiple Input Multiple Output)的增強


使用 MU-MIMO 技術,AP可同時與多個客戶端設備進行通訊。
使用 MU-MIMO 技術,AP可同時與多個客戶端設備進行通訊。

MU-MIMO 最初是在 802.11ac 中引進的技術,但現在已經得到增強;最初,MU-MIMO 允許在同一頻道上使用多達四個 RF 電流,將多個訊框同時傳輸給不同的客戶端,僅支持下行網路;而 Wi-Fi 6/6E 增加支持多達八個空間流 (spatial stream, 註1) 和上行網路傳輸的功能。


註1、空間流 (spatial stream)

"spatial stream" 是指在無線通訊中使用多個天線,在同一時間傳輸不同的資料流的技術;在 MU-MIMO 中,每個空間流都是由一個天線對應一個獨立的資料流,每個空間流都能夠增加傳輸速度和容量,並且能夠為多個設備提供更好的無線網路性能;簡單來說,"spatial stream" 就是透過多個天線傳輸多個獨立的資料流以提高傳輸速度和容量的技術。


為什麼需要Wi-Fi 6/6E?


就像 OFDMA 一樣,可以將其視為從只能單向通行的四車道公路,轉移到允許雙向流動的八車道公路;MU-MIMO 透過允許更多的 Wi-Fi 設備,在單個頻道上同時通訊來增加容量和效率,這將轉換為更好的性能,特別適用於關鍵任務、高頻寬應用,例如:語音通話和影音串流。



重疊基本服務集(OBSS, Overlapping Basic Service Set)


在早期版本的 Wi-Fi 中,試圖連接到網路的設備使用“先聽後說”的過程,這意味著它們必須在傳輸之前“聆聽”頻道上的任何訊息 (noise),如果頻道上有任何訊息,即使該訊息來自遠處的網路,它們也必須等待頻道清空後才能進行傳輸,這是為了避免潛在的干擾;OBSS 使接入點能夠使用“顏色”來唯一標識 Wi-Fi 網路,如果在頻道上偵測到其他流量,但它與本地 Wi-Fi 網路的顏色不同,則設備可以忽略它並繼續傳輸。

BSS 顏色標識 (Coloring) 運作方式的圖所示
BSS 顏色標識 (Coloring) 運作方式的圖所示

為什麼需要Wi-Fi 6/6E?


當與 OFDMA 等其他技術結合使用時,OBSS 可在擁擠的網路中實現更有效的通訊;隨著越來越多的設備使用Wi-Fi網路,它可以幫助提高可靠性並降低延遲。



目標喚醒時間(TWT, Target Wake Time)


TWT 的主要目的是改善電源管理,它允許接入點安排一系列時間,以便在預定間隔內讓一個站點“喚醒”以交換數據流,這使得站點可以更長時間地“睡眠”,從而降低能源消耗。


為什麼需要Wi-Fi 6/6E?


對於行動裝置和物聯網設備,更長的用戶端設備電池壽命至關重要。



1024-QAM(Quadrature Amplitude Modulation, 正交振幅調變)


QAM-256 與 QAM-1024的圖形比較
QAM-256 與 QAM-1024的圖形比較

QAM 是通訊業中用於優化存取量和範圍的調變 (註2) 方案,對於無線通訊,QAM是一種訊號,其中相位相差 90 度的兩個載波被進行了調變,其輸出由振幅和相位變化組成,這些變化形成了傳輸的二進制“位元”的基礎,這些位元使我們在設備上看到了訊息,透過同時變化無線電波的相位和振幅,該技術透過將更多數據納入每個傳輸中來提高頻譜效率。


註2、調變 (Modulation)

訊號調變是一種在通訊系統中使用的技術,用於在載波訊號中,傳輸數位或模擬訊號;透過調變,通訊系統可以將一個低頻的原始訊號,轉換為高頻的載波訊號,進而在空氣傳輸,接收端再將其解調回原本的低頻訊號。在調變過程中,原始訊號可以透過改變載波訊號的某些屬性(例如頻率、振幅、相位等)來傳輸;常見的訊號調變技術包括:相位移鍵(PSK)、正交振幅調變(QAM)、頻移鍵(FSK)等。


為什麼需要Wi-Fi 6/6E?


之前的 Wi-Fi 標準(802.11ac)使用256-QAM,允許傳輸8個位元;而1024-QAM使用10個位元,使得Wi-Fi 6/6E 存取點和設備的資料傳輸速率提高了25%。



較長的OFDM符號 (註3)


OFDM 是一種在無線電波中傳輸大量數位資料的技術,這種技術透過將無線電訊號分成多個較小的子訊號,同時以不同頻率傳輸到接收器上;可以這樣想,假設您是一家公司透過貨運公司運輸產品,您可能只有兩個選擇:租用一輛大卡車、或多輛小卡車,這兩種方式都可以運載相同數量的貨物,但是如果一輛大卡車在途中受損或遺失,整個物流都會受到影響,但是用多輛小卡車,這種風險就可以減小。


比較舊版 Wi-Fi 與 Wi-Fi 6/6E 所使用的 OFDM 符號
比較舊版 Wi-Fi 與 Wi-Fi 6/6E 所使用的 OFDM 符號

註3、OFDM Symbols

OFDM Symbols 是用於無線電訊號傳輸的技術,它可以將一個較大的頻率帶分成多個較小的子載波,這些子載波可以同時傳輸不同的資料;OFDM Symbol 指的是一個 OFDM 符號,它是由多個子載波組成的單位;OFDM Symbol 的長度取決於所使用的無線電技術和頻段。


為什麼需要Wi-Fi 6/6E?


老一代的 Wi-Fi 使用短保護間隔 (short guard intervals, 註4) 和OFDM符號,Wi-Fi 6/6E則引入了更長的保護間隔、和四倍大的 OFDM 符號;回到我們的比喻,這就像是讓我們的小卡車變得更大一點,每輛卡車都能夠運載更多的貨物,提高交付效率;在 Wi-Fi 6/6E 中,更長的 OFDM 符號可轉換為增加頻域效率和容量。


註4、保護間隔 (guard intervals)

在OFDM系統中,保護間隔 (guard interval) 是指在兩個OFDM 符號之間插入的空閒時間,以防止符號之間的干擾。這可以讓訊號穿過多重路徑環境時,具有更好的響應。



支援三個頻段


你可以認為這是 Wi-Fi 6/6E 引入的第二個最大的增強功能,儘管有些人會說這比 OFDMA 更重要;與僅支援 5GHz 頻段的 Wi-Fi 5 (802.11ac) 不同(當連接到 2.4GHz 頻段時,你正在使用 802.11n),Wi-Fi 6/6E 可以在所有三個頻段運行:

  • 2.4GHz - 提供 14個20MHz頻道的存取(僅有3個非重疊頻道)

  • 5.0GHz - 提供25個20MHz頻道的存取

  • 6.0GHz - 提供59個20MHz頻道的存取

美國和加拿大開放使用的 6.0GHz 頻段
美國和加拿大開放使用的 6.0GHz 頻段

歐洲開放的 6.0GHz 頻段
歐洲開放的 6.0GHz 頻段

為什麼需要Wi-Fi 6/6E?


這是一個非常重要的變革!802.11ac 只提供了 25 個 20MHz 頻道,而 Wi-Fi 6/6E 現在提供了98個 20MHz 頻道,擁有更多可用的頻道將有助於降低同頻道、和鄰頻干擾問題,並允許更大的頻道寬度 (40MHz,80MHz,甚至160MHz) 的增加使用。


註:可使用的頻道數量將因規管區域或國家而有所不同;台灣的Wi-Fi頻道是由國家通訊傳播委員會 (NCC) 管理,使用2.4GHz和5GHz頻段,目前尚未開放 6GHz頻段 ,頻道如下 (台灣相關規範可上NCC搜尋「低功率射頻電機技術規範」):

  • 5250~5350MHz: CH52 5260MHz、CH56 5280MHz、CH60 5300MHz、CH64 5320MHz

  • 5470~5725MHz: CH100 5500MHz、CH104 5520MHz、CH108 5540MHz、CH112 5560MHz、CH116 5580MHz、CH120 5600MHz、CH124 5620MHz、CH128 5640MHz、CH132 5660MHz、CH136 5680MHz、CH140 5700MHz 這個頻段與軍方和氣象用都普勒雷達頻率相衝突,在軍方優先民間次之的邏輯下,若是要使用這些頻率,就必須搭載 DFS 和 TPC(EIRP值大於500mW之設備)功能 (註5, 註 7),當裝置感測到目前頻率有其它人在使用時,必須能夠跳開改採其它頻率。

  • 5725~5825MHz:這個頻段只能在室內使用 CH149 5745MHz、CH153 5765MHz、CH157 5785MHz、CH161 5805MHz、CH165 5825MHz


註5、TPC

TPC 技術為傳輸功率控制(Transmit Power Control),是一種在 Wi-Fi 無線網路中,用來自動調整發射功率的技術;TPC 技術可以自動控制發射功率,以適應現有的無線環境;這種技術有助於避免電波干擾和電磁輻射問題,同時還可以提高 Wi-Fi 網路的穩定性和性能;在 Wi-Fi 網路中,TPC 技術通常是由設備的無線電路控制器來實現的,這些設備可以通過測量訊號強度和距離來自動調整發射功率。



6.0GHz頻段的其他功能


Wi-Fi 6/6E 相較於舊版 Wi-Fi 的另一個優勢是 - 獨占6.0GHz頻段,換言之,舊版Wi-Fi無法支援此頻段,這提供了引入全新功能的機會,而不必擔心向舊版Wi-Fi標準的後向相容性。


自動頻率協調(AFC, Automated Frequency Coordination)(註6)

Like the 5.0GHz band the new 6.0GHz band is a shared medium that is not only used for Wi-Fi, but also used for other services. Some examples of incumbent services include:

就像 5.0GHz 頻段一樣,新的 6.0GHz 頻段是一個共享媒介,不僅用於 Wi-Fi,還用於其他服務,一些現有服務的例子包括:



因此,美國聯邦通訊委員會(FCC)(以及世界各地類似的監管機構)設定了一些限制,以防止對現有服務造成干擾;基本概念是,戶外 Wi-Fi 存取點需要詢問註冊數據庫(稱為 AFC 系統提供商),以確認其操作不會影響現有的 6GHz 頻段用戶;AFC 系統提供商將包含現有 6GHz 的佔用者數據庫,包括地理位置、使用的頻率、功率水平、天線覆蓋範圍等。


註6、自動頻率協調(AFC, Automated Frequency Coordination)

AFC 系統由許多註冊的系統提供者提供,AFC 系統提供者需要獲得當地電信監管機構的認可,收集並維護所有 6GHz 頻段使用者的資料庫,包括它們的地理位置、頻率、功率等細節;AFC 系統供應商通常會使用現有的無線電頻譜分析工具來搜集資料,並且需要經常更新這些資料以確保其準確性。


AFC 流程示意圖
AFC 流程示意圖

AFC 流程如下:

  • 在傳輸之前,戶外 Wi-Fi 6/6E AP 必須詢問當地的 AFC 系統提供者,以驗證頻率可用性;通訊可以直接從 AP 到 AFC、或透過管理系統進行,AP 必須提供有關其位置、覆蓋範圍、和計劃使用的頻率/功率的所有訊息。

  • AFC 服務提供者將批准或拒絕請求,並提供可用頻率列表以及其他訊息。

  • 只有在被批准使用所需頻率進行傳輸後,戶外 Wi-Fi 6/6E AP 才能開始進行傳輸。


為什麼需要Wi-Fi 6/6E?


就像 5GHz 頻段中使用的 DFS 技術 (註7) 一樣,AFC 設計主要用意在防止 6GHz 頻段中現有技術的干擾;因此,它有助於提高 Wi-Fi 網路的穩定性和性能。


註7、DFS 技術

DFS是指動態頻率選擇(Dynamic Frequency Selection),是一種無線電通訊技術,用於選擇不與現有無線電通訊系統產生干擾的頻道;在5GHz無線頻段中,DFS 技術可用於檢測和避免與雷達等系統的干擾,以確保無線網絡穩定和可靠;當無線設備檢測到雷達訊號時,它必須立即切換到另一個無干擾頻道,以避免對雷達系統造成干擾。



首選掃描頻道 (PSC) 和減少鄰頻報告


由於 6GHz 頻段提供了許多新頻道,因此用戶端設備可能需要更多時間才能找到可連接或漫遊的 AP,畢竟,用戶端設備不僅需要掃描 2.4GHz 和 5.0GHz 頻段以找到要連接的 AP,而且現在還必須掃描 6.0GHz 頻段中的所有 59 個頻道;這是一個問題,因為它可能會導致用戶端在 AP 之間漫遊時失去連接、或在嘗試連接到 Wi-Fi 網路時產生延遲。


有多種解決方案可用來解決此問題,其中一個解決方案是使用“優先掃描頻道”(PSC),這允許在 6GHz 頻段內優先選擇一組 20MHz 頻道,用戶端設備將僅掃描首選通道,而不是掃描整個 6GHz 頻段以找到最佳頻道。


減少鄰頻報告的流程範例
減少鄰頻報告的流程範例

另一個提出的解決方案,也是最受歡迎的解決方案,是“減少鄰頻報告 (Reduced Neighbors Report)”,減少鄰頻報告允許 AP 在 2.4GHz 和 5.0GHz Beacon 或 Probe Response 中 (註8),包含可在 6.0GHz 頻段上使用的 SSID 列表。


總而言之,首選掃描通道 (PSC, Preferred Scanning Channels) 指的是 Wi-Fi 6/6E 設備可事先指定的偏好掃描頻道,讓裝置能夠更有效率地掃描和尋找可用的 Wi-Fi 網路;減少鄰頻報告 (Reduced Neighbors Report) 則是 Wi-Fi 6/6E 設備可減少回報的鄰近網路資訊,進而降低 Wi-Fi 網路之間的干擾。

註8、Beacon 與 Probe Response

Beacon 是指 Wi-Fi 網路發送的一種控制幀,通常用於提供網路相關資訊給正在掃描網路的設備,它包含網路的 SSID、加密方式、頻道、額外資訊等。當手機或其他設備打開 Wi-Fi 功能時,就會主動掃描周圍的 Wi-Fi 網路,收到 beacon 後就會顯示出網路的資訊,使用者就可以連上網路了。


Probe Response(探測回應)是一種 Wi-Fi 訊號,當無線設備(例如:手機、平板電腦、筆記型電腦等)掃描 Wi-Fi 網路時,AP(接入點)會回應 Probe Request(探測請求)訊號,提供自己的 SSID(服務設定識別碼)、安全模式、通道、訊號強度和其他相關資訊,讓無線設備可以決定要不要連接該 Wi-Fi 網路。


為什麼需要Wi-Fi 6/6E?


這些方法可以加快發現網路的速度,因為用戶端設備可以在不必掃描所有6GHz頻道的情況下,了解6GHz頻段的網路可用性,然後直接連接建議的 SSID 的頻道。


註:儘管簡化鄰頻報告不是 802.11ax 規範的一部分,但許多供應商正在實施這種方法。



一個 Beacon 攜帶多個 BSSID (註9)


此範例為包含多個 SSID 資訊的單一 Beacon 訊框
此範例為包含多個 SSID 資訊的單一 Beacon 訊框

過多的 Beacon 資訊是 Wi-Fi 網路中常見的問題,可能會嚴重影響網路效能;當你的接入點傳送過多的 SSID 時就會發生這種情況;對於每個設定的 SSID,接入點都需要傳送單獨的 Beacon 資訊,並以最低的資料傳輸速率進行傳送。這些低速率的資料傳輸會增加無線頻道的使用時間,因此降低網路效能和傳輸量。


為了解決這個限制,並利用舊的 Wi-Fi 技術無法存在於6GHz頻帶的優勢(不需要向後兼容性),Wi-Fi 6/6E 引入了在單一 Beacon 中包含多個 SSID 資訊的功能。

註9、BSSID

BSSID 代表基本服務集識別符號(Basic Service Set Identifier),是無線網路中一個唯一的標識符,它用於識別同一個無線接入點(AP)下的多個無線客戶端(STA);BSSID 通常是由 AP 的 MAC 位址和一個定義的數字或字母組成,當無線用戶端掃描附近的 AP 時,BSSID 用於識別每個 AP。


為什麼需要Wi-Fi 6/6E?


不需要為 AP 上配置的每個 SSID 發送單獨的 Beacon,而是發送一個包含有關所有SSID的訊息的單個Beacon訊框,這有助於降低傳輸多個單一 Beacon 訊框所帶來的額外頻寬消耗,從而提高Wi-Fi網路性能。



使用 WPA3 和管理幀保護(MFP)增強安全性


網路安全與以往一樣重要,因此使用 6GHz 頻段的 Wi-Fi 6/6E 設備,現在需要提升安全等級;再次利用在6GHz 頻段上工作的 Wi-Fi 設備不需要向下相容的優勢,Wi-Fi 6/6E 設備在 6GHz 頻段上工作時,必須使用 WPA3 或 Enhanced Open(以 ” opportunistic wireless encryption” 或 OWE 為基礎) (註10);在6GHz頻段上,不支援舊有的加密方法,如WEP、WPA或WPA2。


不僅如此,隨著 Wi-Fi 越來越被用於傳輸關鍵企業資料和語音通訊,Wi-Fi 阻斷服務攻擊(DoS, 註11)的影響也增加了很多倍,為了防止這種類型的攻擊,在6GHz頻段中操作的所有Wi-Fi設備現在都需要使用“MFP 管理幀保護”。


註10、Enhanced Open

Enhanced Open 是 Wi-Fi Alliance 定義的安全協定,以 "Opportunistic Wireless Encryption"(OWE)技術為基礎,可以提供加密的無線連接,而無需事先建立安全關聯(SA);這種協定可以在公共 Wi-Fi 熱點等開放的Wi-Fi環境中,提高無線網路安全性的解決方案。


註11、阻斷服務攻擊(DoS)

阻斷服務攻擊(DoS)是指對一個目標系統、服務、或網路資源進行連續或大量的非法請求,以致於該系統、服務、或網路資源無法正常運作,導致合法用戶無法使用相關服務的情況;這種攻擊會造成資源的浪費和損毀,並且對網路的安全和正常運作造成嚴重的影響。常見的DoS攻擊方式包括洪水攻擊(flooding)、協議攻擊(protocol attacks)、佔用資源攻擊(resource consumption attacks)等。


為什麼需要Wi-Fi 6/6E?


WPA3-Personal 的推出是一個重要的安全增強,因為它將 PSK 認證替換為同時等值驗證(SAE);SAE 對離線字典攻擊 (offline dictionary attacks, 註12) 具有抵抗能力,並使小型企業和家庭網絡更加安全(企業應繼續使用 802.1X 和 WPA3-Enterprise),再加上對 OWE 的要求,用於在沒有使用密碼的開放網路上加密數據,再加上 MFP,這樣一來,造就了更安全的 Wi-Fi 網路。


注意:舊的加密方法仍將允許在 2.4GHz 和 5.0GHz 頻段使用。


註12、離線字典攻擊 (offline dictionary attacks)

是指攻擊者在不知道目標密碼的情況下,利用預先編製好的密碼字典進行猜測攻擊;攻擊者可以透過暴力破解的方式,將預先編製好的密碼字典中的密碼,逐一與目標密碼進行比對,直到找到相符的密碼為止;這種攻擊方式常用於破解弱密碼,因此在網路安全中,密碼強度的設定十分重要。



總結


當考慮到 Wi-Fi 6/6E 引入的所有新增強功能時,可以明顯看出所有 Wi-Fi 操作方面都可以透過升級進行增強;如果您仍在使用較舊版本的 Wi-Fi,例如802.11n,則升級到Wi-Fi 6/6E將會看到顯著的性能提升,如果您正在使用 Wi-Fi 5(802.11ac),則您將會注意到更高的效率改進,進而轉化為更好的性能。最重要的是,由於OFDMA、OBSS 和 6GHz 等新技術的支援,您將會注意到在非常繁忙的環境中,例如公寓大樓、體育場和會議中心等,網路性能都會有所提高。


如果您反覆優化無線區域網路的架構和配置,卻仍然遇到覆蓋範圍、傳輸量和性能問題,那麼升級到Wi-Fi6/6E 可能確實是您需要的解決方案。



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